光纖無源器件技術(shù)的發(fā)展方向

       光纖無源器件是光纖通信系統(tǒng)中的重要組成部分。按其功能分類，有光纖連接器、光纖耦合器、波分復(fù)用器、光開關(guān)、光衰減器、光隔離器和光環(huán)行器等。光纖通信系統(tǒng)正在向接入網(wǎng)、寬帶網(wǎng)、密集波分復(fù)用系統(tǒng)和全光網(wǎng)方向發(fā)展，對光纖無源器件的技術(shù)提出了新的更高的要求。因此，如何把握光纖無源器件的技術(shù)發(fā)展方向,以適應(yīng)市場的需求，已成為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注的問題。本文首先介紹光纖無源器件的技術(shù)概況，然后就光纖無源器件的技術(shù)發(fā)展方向，概括地說，就是光纖連接器的小型化、光纖耦合器的寬帶化、波分復(fù)用器的密集化、光開關(guān)的矩陣化以及光纖無源器件的集成化，進行粗淺地討論。

        一、無源器件的技術(shù)概況 

        1.分類和應(yīng)用

        光纖無源器件種類繁多，結(jié)構(gòu)紛呈，一般按器件的功能進行分類。

        光纖(纜)連接器在光纖通信線路中具有連接功能的器件。除光纜之間的固定接頭外，大多是單芯或多芯的活動連接器，用于光纜與光配線架(ODF)的連接、光配線架與光端機的連接。

        光纖耦合器在光纖通信線路中個有分路或耦合功能的器件。按其端口配置的形式，又可分為樹形耦合器和星形耦合器，一般由單個的1×2(Y型)耦合器和2×2(X型)耦合器級連而成，用于各種光纖網(wǎng)絡(luò)，如光纖有線電視、局域網(wǎng)(LAN)等。

        波分復(fù)用器在光纖通信線路中可以對波長進行分割復(fù)用/解復(fù)用的器件。按復(fù)用波長的數(shù)量，可分為二波長復(fù)用器和多波長復(fù)用器;根據(jù)復(fù)用波長之間的間隔，又可分為粗波分復(fù)用器(CWDM)和密集波分復(fù)用器(DWDM)，用于各種波分復(fù)用系統(tǒng)、光纖放大器等。

        光開關(guān)在光纖通信線路中具有光路轉(zhuǎn)換功能的器件。按其端口的配置，又可以分為多路光開關(guān)(1×N)和矩陣光開關(guān)(N×N)，一般由單個的1×2或2×2光開關(guān)級連而成，用于備用線路、測試系統(tǒng)和全光網(wǎng)絡(luò)等。

        光衰減器在光纖通信線路中可以按要求衰減一部分光信號能量的器件。按衰減量的可調(diào)性，又可以分為固定衰減器和可調(diào)衰減器。

        光隔離器在光纖通信線路中使光信號只能單向傳輸?shù)钠骷?

        光環(huán)形器使光信號只能沿固定途徑進行環(huán)行傳輸?shù)钠骷?

        2.結(jié)構(gòu)和工藝

        光纖無源器件的結(jié)構(gòu)和工藝大體可以分為3種。

        第一種是全光纖型結(jié)構(gòu)。它們在光路中只有光纖，沒有其他光學(xué)零件。例如光纖端面接觸式(又稱近場型)連接器，采用精密加工的插頭體(單芯一般為陶瓷，多芯一般為聚合物)，光纖插入并固定后進行研磨拋光，然后配以外圍零件。又如熔融雙錐耦合器(FBT)，采用微火炬加熱并拉伸平行接觸的兩要光纖耦合區(qū)，使用形成雙錐，通常稱為熔融拉錐法。

        第二種是分立元件組合型結(jié)構(gòu)，又稱微光器件。它們由光纖與自聚焦透鏡、棱鏡、濾波器等各種微小光學(xué)零件組成光路，其基本的光路是由光纖與2個1/4節(jié)距的自聚焦透鏡組成的具有擴束/聚焦功能的平行光路。在2個1/4節(jié)距的自聚焦透鏡之間，根據(jù)功能要求設(shè)置有關(guān)微型光學(xué)元件。 

        第三種是平面波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，又稱光子集成器件。其核心的光路是采用集成光學(xué)工藝根據(jù)功能要求而制成的各種平面光波導(dǎo)，有的還要在一定的位置上沉積電極，然后光波導(dǎo)再與光纖或光纖陣列耦合。 

        二、光纖連接器的小型化

        光纖連接器是光纖系統(tǒng)中使用最多的光纖無源器件。目前的主流品種是FC型(螺紋連接式)、SC型(直插式)和ST型(卡扣式)3種，它們的共同特點是都有直徑為2.5mm的陶瓷插針，這種插針可以大批量地進行精密磨削加工，以確保光纖連接的精密準直。插針與光纖組裝非常方便，經(jīng)研磨拋光后，插入損耗一般小于0.2dB。隨著光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，光纜密度和光纖配線架上連接器密度的不斷增加，目前使用的連接器已顯示出體積過大、價格太貴的缺點，因此小型化是光纖連接器的發(fā)展方向。

        小型化之一是縮小單芯光纖連接器尺寸，開發(fā)小型化(SFF)的連接器，如美國朗訊公司的LC型連接器，日本NTT公司的MU型連接器，瑞士Diamond公司的E-2000型連接器。它們的插針直徑只有1.25mm，所以組裝密度比現(xiàn)有連接器要提高一倍多。LC型和MU型的插針為陶瓷材料，E-2000型的插針則為陶瓷-金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

        小型化之二是開發(fā)適應(yīng)帶狀光纖的多芯光纖連接器，即MT型的系列光纖連接器。例如，日本藤倉公司采用了mini-MT連接器套管，研制出體積更小、又完全符合日本家電連接器RJ-45標準要求的MT-RJ型二芯光纖連接器;美國US-Conec公司以MT元件為基礎(chǔ)，研制了可以連接4，8，10，12芯光纖的MTP/MPO型光纖連接器;美國Siecor公司的小型MT光纖連接器，即小型MAC型連接器，它最多只能用于4芯光纖;此外，美國Berg電子公司也為光纖帶研制了小型MAC型連接器，該連接器可以連接2-18芯光纖。這些連接器的插芯均采用聚合物材料制成。預(yù)計若干年后，小型化的單芯光纖連接器、以帶狀光纖連接器為主的多芯光纖連接器將與目前大量使用的直徑為2.5mm插針的連接器并賀齊驅(qū)，形成三足鼎立的局面。 

         三、光纖耦合器的寬帶化

        當前，能進行大批量生產(chǎn)單模光纖耦合器的方法是熔融拉錐，當光纖纖芯變細形成雙錐時，由于模場直徑的擴大，使一根光纖的信號可以耦合到另一根中去。在這種方法中，由于光纖之間的耦合系數(shù)與波長有關(guān)，所以光傳輸波長發(fā)生變化時，耦合系數(shù)也會發(fā)生變化，即耦合器的分光比發(fā)生變化，一般分光比隨波長的變化率為0.2%nm。這種耦合器允許的帶寬一般只有±20nm，稱為標準型耦合器。顯然，在允許的帶寬范圍內(nèi)，分光比的變化≤±4%。這種耦合器可稱為波長平坦型耦合器。所以寬帶化是耦合器的一個重要發(fā)展方向。

        為制造寬帶耦合器，許多公司在深入研究熔融雙錐耦合理論或進行大量實踐的基礎(chǔ)上，對熔融拉錐的工藝進行了改進。例如，考慮到熔融雙錐的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系數(shù)與傳輸波長的關(guān)系愈大，所以應(yīng)盡量減少熔融拉錐中的耦合次數(shù)，最好在一個周期內(nèi)完成耦合;又如，改變兩要光纖的轉(zhuǎn)播常數(shù)也可減小耦合系數(shù)與傳輸波長的關(guān)系，所以可選擇兩根不同纖芯直徑的光纖進行熔融拉錐，也可對一根光纖腐蝕或預(yù)拉伸后再與另一根光纖一起進行熔融拉錐。

        采用分立元件組合結(jié)構(gòu)和平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以從根本上改善耦合器的帶寬性。在分立元件結(jié)構(gòu)的耦合器中，一般采用半透膜進行分光，可以通過膜層的設(shè)計和制造達到需要的帶寬特性，在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶耦合器，帶寬可以達到350nm，這是目前熔融錐法難以達到的。

        四、波分復(fù)用器的密集化

        當前使用的波分復(fù)用器主要是二波長的復(fù)用器，如1310/1550nm、980/1550nm和1480/1550nm3種，前者用于通信線路，后面兩種用于光纖放大器，其制造方法也是熔融拉錐。隨著密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展，多波長復(fù)用器的需求正在增加，因此復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展，多波長復(fù)用器的需求正在增加，因此復(fù)用波長之間的間隔正在縮小。波長之間的間隔為20nm時，一般稱為粗波分復(fù)用器(CWDM);波長之間的間隔為1-10nm時，一般稱為密集波分復(fù)用器(FDM)。有時也籠統(tǒng)地將這些多路復(fù)用器稱為密集波分復(fù)用器。密集化是波分復(fù)用器的發(fā)展方向。根據(jù)制造方法的不同，密集波分復(fù)用器主要有3種類型：薄膜濾波器型、光纖布拉格光柵型和陣列波導(dǎo)光柵型。

        薄膜濾波器是將多層介質(zhì)膜置于2個1/4節(jié)距的自聚焦透鏡之間,利用多層介質(zhì)膜的干涉效應(yīng)，制成對某一波長透明的帶通濾波器(BWDM)，當復(fù)用的波長旁軸入射時，只有一個波長透射，其他波長則反射。數(shù)個這樣的復(fù)用器連在一起，就可構(gòu)成密集波分復(fù)用器。這種產(chǎn)品的一般性能為：通帶寬度約13nm，隔離度≥25dB，回波損耗≥55dB，插入損耗≤4dB。

        光纖布拉格光柵型利用紫外光誘導(dǎo)光纖纖芯的折射率發(fā)生周期性的變化，當折射率的周期性變化滿足布拉格光柵條件時，相應(yīng)的波長反射，其他波長則順利通過。這種反射型光柵相當于一個帶阻濾波器，又稱切趾濾波器或切趾布拉格光柵。多相這樣的光柵以一定的方式可以組成密集型波分復(fù)用器。

        陣弄波導(dǎo)光柵型是采用平面波導(dǎo)的光子集成器件，其基本結(jié)構(gòu)由3部分組成：輸入/輸出(I/O)光波導(dǎo)陣列、自由轉(zhuǎn)播區(qū)平板波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)陣列。當彎曲波導(dǎo)之間的相位差滿足光柵方程時，這種陣列波導(dǎo)即可實現(xiàn)復(fù)用/解復(fù)用功能。日本NTT研制出復(fù)用400個波長的波導(dǎo)陣列光柵，波長間隔為0.2nm，隔離度為30dB，每通道損耗為3.8-6.4dB，尺寸為124mm×64mm。常規(guī)用的32或64波長的AWG的波長間隔為0.8nm，隔離度為28dB，每通道的損耗為2-3dB。

        當前這3種密集波分復(fù)用器技術(shù)以薄膜濾波器型最為成熟，約占總市場的45%;其次是陣列波導(dǎo)光柵型，約占總市場的40%;光纖布拉格光柵型比較適宜于制作50GHz(波長間隔為0.4nm)的密集波分復(fù)用器，約占總市場的15%。

        五、光開關(guān)的矩陣化

        近年來，隨著密集波分復(fù)用系統(tǒng)和全光通信網(wǎng)的研究，要求在各結(jié)點上的交換，如光交叉連接(OXC)、光分插和復(fù)用(OADM)和保護倒換，直接在光層中完成，這就需要光開關(guān)。由于這些結(jié)點上進行交換的光纖和波長數(shù)量很多，所以這種光開關(guān)應(yīng)當是大端口數(shù)的矩陣光開關(guān)。

        大端口數(shù)的矩陣光開關(guān)一般由單個的1×2或2×2光開關(guān)級連而成。傳統(tǒng)的機械式光開關(guān)雖然在插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性方面都有良好的性能，但它的尺寸比較大，動作時間比較長，一般為幾十毫秒，不易組成大端口數(shù)的矩陣光開關(guān)。而非機械式光開關(guān)，主要是電光式的波導(dǎo)光開關(guān)，其開關(guān)速度在毫秒級到亞毫秒級，體積非常小，易于集成為大端口數(shù)的矩陣光開關(guān)，但共插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性等性能都比較差。為此，近年來出現(xiàn)了能集成大規(guī)模矩陣陣列而又有良好性能的兩種新型光開關(guān)，即微機械光開關(guān)(MEMS)和熱光開關(guān)。

        微機械光開關(guān)是在平面光波導(dǎo)的基體帛制成機械光開關(guān)的動作機構(gòu)，例如采用深蝕刻、淺擴散工藝，可制作出懸臂梁作為光開關(guān)的可動部分，懸臂梁的側(cè)面可用作反射鏡。在可動和固定部分之間的梭齒式交叉電極上沒有電壓時，光路有反射輸出;加上電壓時，懸臂梁在靜電力的作用下產(chǎn)生一個位移，懸臂梁側(cè)壁的反射輸出為零，從而實現(xiàn)光的轉(zhuǎn)換。

        熱光開關(guān)通過加熱使光波導(dǎo)折射率發(fā)生變化，從而改變光輸出方向。便如，氣泡型光開關(guān)是兩條平面光波導(dǎo)的交叉點上，蝕刻一條管溝，管溝內(nèi)注入折射率匹配液，因而波導(dǎo)內(nèi)的光信號可以進行直線傳輸。采用類似復(fù)用機中的熱噴墨技術(shù)，在波導(dǎo)交叉點的匹配液內(nèi)產(chǎn)生一個氣泡，光信號在氣泡的全內(nèi)反射作用下，被反射到另一個光波導(dǎo)，從而實現(xiàn)光的轉(zhuǎn)換。

       目前國外大端口數(shù)的矩陣開關(guān)的性能已足以滿足全光網(wǎng)的交換要求。例如，美國朗訊公司采用mems技術(shù)已研制出1296端口的光交叉連接，插入損耗為5.1db，隔離度為38dB。Agilent公司研制的32×32氣泡型光開關(guān)，最大損耗為7.5dB。微機械式的轉(zhuǎn)換時間僅為3.7ms，氣泡型也小于10ms。

        六、無源器件的集成化

        由上可見，無論是在耦合器的寬帶化，還是在波分復(fù)用器的密集化以及光開關(guān)的矩陣化中，光子集成都是一條重要途徑，甚至是惟一的途徑。此外，光子集成器件還有體積小，易于大規(guī)模生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點，所以光子集成成化是許多光纖無源器件的發(fā)展方向。光子集成器件有時也稱平面型光無源器件。根據(jù)基體的種類，光波導(dǎo)的鈮到鋰鍍鈦光波導(dǎo)、硅基體沉積二氧化硅光波導(dǎo)、InGaAsP/InP波導(dǎo)和聚合物(Polymer)波導(dǎo)。

        鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)較早，其主要工藝過程是：首先在鈮酸鋰基體上用蒸發(fā)沉積或濺射沉積的方法鍍一層鈦膜，然后進行光刻，形成需要的光波導(dǎo)圖形，再進行擴散，并鍍上二氧化硅保護層，制成平面光波導(dǎo)。該波導(dǎo)的損耗較大，一般為0.2-0.5dB/cm。

        硅基二氧化硅光波技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，國外已比較成熟。其制造工藝有火炎水解法(FHD)、化學(xué)氣相淀積法(CVD,日本NEC公司開發(fā))、等離子CVD法(美國Lucent公司開發(fā))、多孔硅氧化法和熔膠-凝膠(Sol-gel)等。這種波導(dǎo)和損耗很小，約為0.02dB/cm。國外利用這種波導(dǎo)已研制出60路、132路的AWG。

        InGaAsP/InP光波導(dǎo)的研究也比較成熟，它可與InP基的有源與無源光子器件及InP基微電子回路集成在同一基片上，雖然它與石英光纖的模場不匹配，與光纖的耦合損耗較大，但可以光回路中引入SOA加以補足。聚合物(Polymer)光波導(dǎo)是近年研究的熱點。這波導(dǎo)的熱光系數(shù)和電光系數(shù)都比較大，很適合于研制高速光波導(dǎo)開關(guān)、AWG等。德國HHI公司利用這種波導(dǎo)研制成功AWG在25-65℃的波長漂移僅為±0.05nm。聚合物波導(dǎo)及器件制作工藝簡單，價廉，很有發(fā)展前景。

        目前采用平面波導(dǎo)技術(shù)制造的無源器件不僅有寬帶耦合器、波導(dǎo)陣列光柵(AWG)、大端口數(shù)矩陣光開關(guān)，而且還有多模干涉分束器，星形耦合器、波長隔離器以及硅微機械F-JP腔可變式衰減器等。由于它可以與有源器件以及微電子回路集成在同一基片上或封裝在同一殼體內(nèi)，構(gòu)成混合集成光路，所以前途不可限量。